第1章氢和稀有气体PPT讲稿.ppt

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1、第1章氢和稀有气体1第1页，共38页，编辑于2022年，星期日教学要求教学要求 1氢的物理性质与化学性质氢的物理性质与化学性质 2了解稀有气体的发现简史。了解稀有气体的发现简史。3掌掌握握稀稀有有气气体体单单质质，化化合合物物的的性性质质及及 其其结构特点。结构特点。4了解稀有气体的用途。了解稀有气体的用途。5稀有气体化合物及其结构。稀有气体化合物及其结构。2第2页，共38页，编辑于2022年，星期日第一节第一节 氢氢1-1 氢的存在和物理性质存在存在主要以化合态存在于水、石油、天然气以及生物的组织中。由光谱数据分析表明，太阳和其他一些星球的大气中含有大量的氢。氢的同位素1 H又称氕，符号为H

2、，占99.98%2H又称为氘，符号为D，占0.02%3H又称为氚，符号为T，是H的1017分之一，主要是核衰变的产物。HDT一、氢的存在一、氢的存在3第3页，共38页，编辑于2022年，星期日氢的发现Cavendish(1731-1810)Laviusiser(1743-1794)早在16世纪就有人发现了氢气体,它是硫酸与铁反应生成的一种气体，1766年英国物理学家卡尔文迪西确认它是一种易燃气体，并称为“易燃空气”。而到1787年，拉瓦锡才将其命名为“Hydrogen”，“Hydro”是希拉文“水”的意思，指出，水是氢和氧的化合物。4第4页，共38页，编辑于2022年，星期日元素周期表A011

3、HAAAAAA2He23Li4Be5B6C7N8O9F10Ne3 11Na12MgB B B B BB B13Al14Si15P16S17Cl18Ar4 19K20Ca21Sc22Ti23V24Cr25Mn26Fe27Co28Ni29Cu30Zn31Ga32Ge33As34Se35Br36Kr5 37Rb38Sr39Y40Zr41Ne42Mo43Tc44Re45Rh46Pa47Ag48Cd49In50Sn51Sb52Te53I54Xe6 55Cs56Ba57-71La72Hf73Ta74W75Re76Os77Ir78Pt79Au80Hg81Tl82Pb83Bi84Po85At86Rn7 87F

4、r88Ra89-103Ac104Rf105Db106Sg107Bh108Hs109Mt110Uun111Uuu112Uub氢氢是是宇宇宙宙间间所所有有元元素素中中含含量量最最丰丰富富的的元元素素在在自自然然界界中中主主要要以以化化合合态态存存在在是是周周期期系系中中第第一一号号元元素素5第5页，共38页，编辑于2022年，星期日二、氢的物理性质二、氢的物理性质氢是密度最小的无色无味的气体扩散速度快，因而具有很高的导热性微溶于水（一体积水在273K时溶解0.02体积氢）沸点低，是20.4K，液态氢可以把除氦以外的所有气体冷却为固体易被钯、铂、镍等金属吸收，其中钯的吸氢能力最强，室温下一体积的粉末

5、状钯可吸收900体积的氢。因此这些金属是有关于氢反应的优良催化剂。6第6页，共38页，编辑于2022年，星期日1-2 1-2 氢的化学性质和氢化物氢的化学性质和氢化物一、氢的成键特点1.离子键离子键Na+H-NaHH-半径较大，有很强的还原性，主要存在于氢和IA、IIA中（除Be外）的金属所形成的离子型氢化物的晶体中。水溶液中很快与水反应放出氢气 H-+H2O=H2+OH-H1s1（1 1）均为白色晶体均为白色晶体,热稳定性差热稳定性差 LiH NaH KH RbH CsH NaCl-90.4 -57.3 -57.7 -54.3 -49.3 -441fH7第7页，共38页，编辑于2022年，星

6、期日（2 2）还原性强还原性强UO2CaH2 UCa(OH)2（3 3）剧烈水解剧烈水解NaHCH3OH NaOCH3H2 8第8页，共38页，编辑于2022年，星期日（4 4）形成配位氢化物形成配位氢化物氢化铝锂氢化铝锂LiAlH4受潮时强烈水解受潮时强烈水解4BF33NaBH4 3NaBF42B2H69第9页，共38页，编辑于2022年，星期日2.共价键共价键HClHOH共价键是氢最普遍的成键方式。氢原子失去1s电子成为H+。但是除了气态的质子流外，H+总是与其它的原子或分子相结合。缺电子氢化物：缺电子氢化物：A族的氢化物族的氢化物 B2H6足电子氢化物：足电子氢化物：A族的氢化物族的氢化

7、物 CH4富电子氢化物：富电子氢化物：A A的氢化物的氢化物 NH3氢原子和其它电负性不大的非金属原子通过共用电子对结合，形成共价型氢化物。此外，与电负性极强的元素相结合的氢原子易与电性极强的其它原子形成氢键氢键，以及在缺电子化合物中存在的氢桥氢桥键。这些是氢特殊的成键方式10第10页，共38页，编辑于2022年，星期日氢桥键和氢键11第11页，共38页，编辑于2022年，星期日 许多过渡金属以及镧系和锕系金属许多过渡金属以及镧系和锕系金属都能与氢结合生成金属氢化物。都能与氢结合生成金属氢化物。473KTi H2 TiH2RE H2 REHxU H2 UH33.金属型氢化物：12第12页，共3

8、8页，编辑于2022年，星期日二、氢气的制备二、氢气的制备实验室制备实验室由活泼金属和稀酸反应或两性金属与碱反应制备,也可用电解法制备Zn+2H+=H2+Zn2+Zn+2H2O+2OH-=Zn(OH)42-+H2由两性金属与碱反应或电解法得到的氢气纯度更高氢气的工业制备天然气裂解法:CH4 =C+2H2催化剂水煤气法:C+H2O=CO+H21273 K阴极:2H2O+2e =H2+2OH-电解法阳极:4OH-4e =O2+2H2O 水蒸气转化法：CH4+H2O CO+3H2(g)10731273 K催化剂13第13页，共38页，编辑于2022年，星期日三、氢气的化学性质三、氢气的化学性质氢气的

9、键能很大(436kJmol-1)主要反应是高温反应1、少数常温反应例子：H2+F22HF 2H2+O2=2H2OPd2、高温还原反应作为能源：2H2+O2=H2O(g)燃烧H=241.8 kJmol-1 还原金属氧化物WO3+3H2=W+3H2OFe2O3+3H2=2Fe+3H2O高温高温C=CCH-CH高温加氢还原3、生成金属氢化物Na+H2=2NaH Li+H2=2LiH高温高温14第14页，共38页，编辑于2022年，星期日熔点熔点/-259.23沸点沸点/-252.77气体密度气体密度 (gcm-3)8.98810-5(为空气的为空气的1/40倍倍)fusHm(Jmol-1)117.1

10、5vapHm(Jmol-1)903.74热导率热导率(Wm-1K-1)0.187(为空气的为空气的5倍倍)1.氢气是无色、氢气是无色、无味、无臭的无味、无臭的可燃性气体可燃性气体,是是所有气体中最所有气体中最轻的。轻的。氢气球可携带仪器作高空探测氢气球可携带仪器作高空探测 也可携带干冰、碘化银等试剂进也可携带干冰、碘化银等试剂进 行人工降雨。行人工降雨。1-3 氢的性质和用途氢的性质和用途15第15页，共38页，编辑于2022年，星期日熔点熔点/-259.23沸点沸点/-252.77气体密度气体密度 (g(gcmcm-3-3)8.98810-5(为空气的为空气的1/40倍倍)fusHm(Jmo

11、l-1)117.15vapHm(Jmol-1)903.74热导率热导率(Wm-1K-1)0.187(为空气的为空气的5倍倍)液氢是重要的高能燃料。是美国宇宙航液氢是重要的高能燃料。是美国宇宙航天飞机和我国天飞机和我国“长征长征”三号火箭所用燃料三号火箭所用燃料液氢是超低温制冷剂，可将除氦外的所液氢是超低温制冷剂，可将除氦外的所有气体冷冻成固体。有气体冷冻成固体。2.熔、沸点极低，熔、沸点极低，难液化。难液化。16第16页，共38页，编辑于2022年，星期日熔点熔点/-259.23沸点沸点/-252.77气体密度气体密度 (gcm-3)8.98810-5(为空气的为空气的1/401/40倍倍)f

12、usHm(Jmol-1)117.15vapHm(Jmol-1)903.74热导率热导率(Wm-1K-1)0.187(为空气的为空气的5 5倍倍)利用此性质可制得极纯的氢气利用此性质可制得极纯的氢气3.在水中的溶解在水中的溶解度很小。可大度很小。可大量溶于镍、钯、量溶于镍、钯、铂等金属中。铂等金属中。17第17页，共38页，编辑于2022年，星期日4.氢分子在常温下不活泼，但当已氢分子在常温下不活泼，但当已解离的氢原子结合为分子时，可解离的氢原子结合为分子时，可放出大量热：放出大量热：2H H2 rHm =-436 kJmol-1 利用此性质可作原子氢吹管，用于熔利用此性质可作原子氢吹管，用于熔

13、化难熔的金属化难熔的金属(如如W、Ta等等)18第18页，共38页，编辑于2022年，星期日5.氢气在氧气或空气中燃烧，氢气在氧气或空气中燃烧，可得到温度近可得到温度近3000的氢氧焰的氢氧焰可用于金属的切割或焊接可用于金属的切割或焊接 H2+O2 H2O rHm=-285.830 kJmol-1 12注注 意意1.1.点燃或加热氢气时，必须确点燃或加热氢气时，必须确 保氢气的纯净；保氢气的纯净；2.2.使用氢气的厂房要严禁烟火使用氢气的厂房要严禁烟火 加强通风。加强通风。19第19页，共38页，编辑于2022年，星期日 详见详见“氢化物氢化物”6.氢气在加热时，可与许多金属氢气在加热时，可与

14、许多金属或非金属反应，生成氢化物或非金属反应，生成氢化物20第20页，共38页，编辑于2022年，星期日7.氢气在高温下，可与氧化物氯化氢气在高温下，可与氧化物氯化物反应，得到金属或非金属物反应，得到金属或非金属如如 工业上高纯钨和硅的制取工业上高纯钨和硅的制取 WO3+3H2 W+3H2O高温SiHCl3+H2 Si+3HCl高温21第21页，共38页，编辑于2022年，星期日8.高温下，氢分子可分解为原子氢高温下，氢分子可分解为原子氢 原子氢比分子氢活泼原子氢比分子氢活泼2H+S H2S与与S作用生成作用生成H2S2H+CuCl2 Cu+2HCl在常温下可将在常温下可将Cu、Fe、Bi、H

15、g、Ag等的氧化物或氯化物还原为金属等的氧化物或氯化物还原为金属22第22页，共38页，编辑于2022年，星期日第二节第二节 稀有气体稀有气体（0 族元素）族元素）2-1 稀有气体的发展简史元素元素发现年代发现年代发发 现现 者者氦氦1868J.N.Lockyer,S.E.Frankland(英英)1895W.Ramsay（英）（英）氩氩1894J.W.Rsyleigh氖氖1898W.Ramsay（英）（英）氪氪1898W.Ramsay（英）（英）氙氙1898W.Ramsay（英）（英）氡氡1900F.E.Dorn稀有气体的发现存在存在主要存在于空气氦也存在于某些天然气中氡为某些放射性元素的蜕

16、变产物23第23页，共38页，编辑于2022年，星期日2-2 稀有气体的物理性质和用途价电子价电子层结构层结构H e N e A r K r X e Rn 1s2 2s22p6 3s23p6 4s24p6 5s25p6 7s27p6稀有气体的价电子结构称为饱和电子层结构，因此稀有气体不易失去电子、不易得到电子，不易形成化学键。稀有气体均为单原子分子，He是所有单质中沸点最低的气体。物理性质物理性质24第24页，共38页，编辑于2022年，星期日稀有气体的一些物理性质25第25页，共38页，编辑于2022年，星期日稀有气体的用途稀有气体的用途He超低温冷却剂；填充气球；作惰性保护气用于核反应堆热

17、交换器；液氦在温度小于2.2K时，是一种超流体，具有超导性和低粘性，对于研究和验证量子理论有重要的意义。Ne氖的导电性是空气的75倍，用于放电管中发射红光，也用于作金属焊接的保护气。Ar氩 氩的导热性很差，用于填充灯泡，也用作焊接的保护气。Xe氪和氙 导热性均很差，用于填充灯泡，用氙制的电光源氙灯有“小太阳”之称。Kr26第26页，共38页，编辑于2022年，星期日2-4 2-4 稀有气体化合物稀有气体化合物稀有气体化合物主主要要是是氙氙的的氟氟化化物物和和氧化物氧化物稀有气体化合物是1962年才开始制得成功，是巴特列在发现O2和六氟化铂能发生反应的实验事实后受到启发。O2+PtF6O2+Pt

18、F6-由于O2的第一电离能(1175.7kJmol-1)和氙的第一电离能(1171.5kJmol-1)非常接近，于是想到用氙代替氧可能会发生同样的反应。结果它成功了。Xe+PtF6Xe+PtF6-一、氟化物一、氟化物Xe+F2=XeF2 1 ：2 673K，1.03105 PaXe+F2=XeF2 1 ：5 873K，6.18105 PaXe+F2=XeF2 1 ：20 573K，6.18105 Pa氙和氟在密闭的镍反应器中加热就可得到氙氟化物27第27页，共38页，编辑于2022年，星期日、氟化物的性质、氟化物的性质强氧化性强氧化性:氧化能力按XeF2XeF4XeF6顺序递增高溴酸钠就是用X

19、eF2作氧化剂才首次制得成功的NaBrO3+XeF2+H2O NaBrO4+2HF+XeXeF2+H2 2HF+XeXeF2+2Cl-2F-+Xe+Cl2XeF4+Pt 2PtF4+Xe 与水反应与水反应 氙氟化物与水反应活性不同2XeF2+2H2O =2Xe+4HF+O2(在碱中迅速反应)XeF4,XeF6在水中反应生成氧化物6XeF4+12H2O2XeO3+4Xe+3O2+24HFXeF6+3H2OXeO3+6HFXeF6+H2OXeOF4+2HF (不完全水解)28第28页，共38页，编辑于2022年，星期日二、氧化物二、氧化物氙的氧化物是无色、易潮解、易爆炸的晶状固体。由氟化物水解制备

20、。氧化物XeO3，在酸性溶液中具有强氧化性：XeO3盐酸盐酸 Cl2 Fe2+Fe3+Br-BrO3-+XeOOO在碱性溶液中表示出弱酸性质：XeO3+OH-HXeO4-并缓慢歧化：2HXeO4-+2OH-XeO64-+Xe+O2+2H2O29第29页，共38页，编辑于2022年，星期日2-5 2-5 价层电子对互斥理论（价层电子对互斥理论（VSEPRVSEPR理论）简介理论）简介Valence Shell Electron Pair Repulsion TheoryValence Shell Electron Pair Repulsion Theory一、VSEPR理论的基本要点、分子的几何

21、图形、分子的几何图形 取决于中心原子的价电子对价电子对的几何构型。中心原子周围的价电子对总是按彼此间斥力最小的构型（电子对间最大远离）排列，BeF2:直线型BF3:平面三角形CH4:四面体CO2:2 直线型价电子对数 价电子对几何构型30第30页，共38页，编辑于2022年，星期日、价电子对间的斥力大小、价电子对间的斥力大小 电子对间的夹角越大，斥力越小；相邻电子对间的斥力大小顺序为：孤电子对孤电子对孤电子对成键电子对成键电子对成键电子对 如果分子中有重键，把它当作单键看待。如O=C=O，C的价电子对数应看作是2，分子是直线型。根据价电子对的几何构型如何确定分子的几何构型？31第31页，共38

22、页，编辑于2022年，星期日二、确定分子构型的一般规则、确定中心原子的价电子对数、确定中心原子的价电子对数价电子对数价电子对数中心原子的价电子数其他原子提供的单键电子数离子的负电荷数（或减去离子的正电荷数）2AsOAsO4 43-3-As价电子数：5其他原子提供的单键电子数：0（氧原子与中心原子是以双键结合）负电荷数：3所以As的价电子对数=（5+3）2=4、根据价电子对数确定价电子对电子构型、根据价电子对数确定价电子对电子构型如出现奇数电子时，将此电子也当作电子对来对待。AsO43-的电子对构型是四面体，由于配位原子数（氧）也是4，所以它的分子构型也是四面体32第32页，共38页，编辑于20

23、22年，星期日当配位原子数与价电子对数不相等时，就有可能存在多种构当配位原子数与价电子对数不相等时，就有可能存在多种构型，应用下列方法判断出最稳定构型型，应用下列方法判断出最稳定构型、绘出构型图、绘出构型图 每一电子对连一个配位原子，余下的是孤电子对。、确定稳定构型、确定稳定构型 根据成键电子对、孤电子对之间相互作用的大小，确定排斥力最小的构型为稳定构型。(1)相距角度最小的孤电子对孤电子对的数目越少，其构型越稳定。(2)如果(1)的判断还不能确定，则由相距角度最小的孤电子对成键电子对数目最少的作为稳定构型。(3)如果(2)还不能确定，则由成键电子对成键电子对最少的构型作为稳定构型。33第33

24、页，共38页，编辑于2022年，星期日例 试根据上述原则判断XeF4的稳定构型价电子对数(8+4)2=6价电子对构型为八面体XeF4可能的构型有两种：XeXeFFFFFFFF(a)(b)所以XeF4的分子构型是平面四面形90孤孤：0 190孤成：8 690成成：4 5构 型：（a）（b）34第34页，共38页，编辑于2022年，星期日2-6 稀有气体化合物的结构分子 价电子对数 价电子对构型 可能构型 最稳定构型XeF2 5 三角双锥 三种 直线型XeF4 6 八面体 二种 平面四面形XeF6 7 变形八面体 二种 变形八面体XeOF4 6 八面体 二种 四方锥形XeO3 4 四面体 一种 三角锥形XeO4 4 四面体 一种 正四面体35第35页，共38页，编辑于2022年，星期日氟化氙的结构XeF2XeF4XeF636第36页，共38页，编辑于2022年，星期日XeO3 的结构三氧化氙XeOOO37第37页，共38页，编辑于2022年，星期日根据价电子对互斥理论的理想几何构型M2电子对电子对直线型直线型3电子对电子对平面三角形平面三角形180M120 四电子对四电子对四面体四面体M109.5 M5电子对电子对三角双锥三角双锥6电子对电子对用八面体用八面体M9038第38页，共38页，编辑于2022年，星期日